灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。     

考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型研究——以淮北煤田为例

近松散层开采覆岩导水裂隙带沟通上覆含水层导致了顶板水害事故的发生。在其他开采因素相似时,工作面顶板覆岩结构的不同会致使导水裂隙带发育高度出现较大差异。为此,通过收集淮北煤田17例近松散层开采覆岩导水裂隙带发育高度实测数据作为训练样本,利用一行两列向量对近松散层工作面顶板覆岩结构进行量化,并联合煤层采厚、煤层倾角、工作面斜长、开采深度、松散层厚度共计6个影响因素作为输入数据,实测导水裂隙带发育高度作为输出数据,依据径向基函数神经网络建立了考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型。并将该预测模型应用于淮北煤田中的青东煤矿,经钻孔冲洗液漏失量与钻孔彩色电视观测验证,获得预测结果相对误差为3.3%,低于《“三下”开采规范》中经验公式计算误差19.2%。该方法为近松散层开采导水裂隙带发育高度的合理确定提供了理论支持。     

导水裂隙带高度研究方法概述

导水裂隙带高度的确定是水下采煤工作之重点,目前并没有一个完全可以精确确定的方法。主要的研究方法有经验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测。单靠其中的一种也不能确定,将几种方法相互结合则是准确得到导水裂隙带高度计算方法的重要途径。     

奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩破坏特征研究

采用相似模型试验和数值模拟相结合的方式,分析了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的覆岩破坏及地表沉陷 特征。经验公式计算,相似模型试验和数值模拟的对比分析表明：该特殊地质条件下,不考虑渗流场影响时,垮落带高度 为采厚的2.2~4.5倍,导水裂隙带高度为采厚的14.0~19.1倍;渗流场的存在使导水裂隙带及垮落带高度增加,此时垮采比为 4.8,裂采比为20.6。因此,从偏安全的角度考虑,煤层的实际开采过程应考虑渗流场的影响,以渗流场-应力场耦合作用 下的导水裂隙带高度作为安全煤（岩）柱合理留设的依据。     

导水裂隙带高度研究方法概述

导水裂隙带高度的确定是水下采煤工作之重点，目前并没有一个完全可以精确确定的方法，主要的研究方法有经验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测。单靠其中的一种也不能确定，将几种方法相互结合则是准确得到导水裂隙带高度计算方法的重要途径。     

基于PSO-BP神经网络的导水裂隙带高度预测

导水裂隙带高度是西部矿区保水采煤的理论依据和关键参数。近年来,BP神经网络广泛应用于导水裂隙带高度预测,但BP神经网络存在收敛速度慢、易陷入局部极小等问题。为提高导水裂隙带高度预测的准确性,利用粒子群优化算法(PSO)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,建立基于PSO-BP神经网络的导水裂隙带高度预测模型。选择开采厚度、开采深度、工作面倾斜长度、煤层倾角、覆岩结构特征为导水裂隙带高度主要影响因素,选取22例导水裂隙带高度实测数据对PSO-BP神经网络进行训练,将训练后的PSO-BP神经网络对2例测试样本的预测结果与实际值进行对比,并与BP神经网络预测模型及经验公式预测结果进行对比。结果表明:PSO-BP神经网络预测模型的平均相对误差为1.55%;BP神经网络预测模型的平均相对误差为4.8%,经验公式的最小相对误差为9.4%,PSO-BP神经网络预测精度明显优于BP神经网络和经验公式,且绝对误差和相对误差变化较稳定,可以有效预测导水裂隙带高度。      

煤层顶板导水裂隙带发育高度工程地质模拟研究——以黑龙江省新发煤矿29~#煤层为例

煤层顶板导水裂隙带发育高度是煤矿设计部门在留设防、隔水煤柱时必须考虑的一个重要参数,对煤矿水体下采煤、顶板防治水具有重要意义。采用实验室工程地质模拟方法,对新发煤矿29#煤层顶板导水裂隙带发育高度进行模拟,模拟的导水裂隙带发育高度为26.3 m;运用关键层理论,计算的导水裂隙带高度为28.29 m。综合确定导水裂隙带发育高度为26.3 m。实验室工程地质模拟方法及应用实例为地质条件相似矿区解决开采上限、留设防(隔)水煤柱等问题提供了方法和数据支持。     

霍洛湾煤矿22101工作面顶板两带发育规律

在详细分析霍洛湾煤矿水文地质条件基础上,根据2-2煤层上覆不同岩层的岩石力学参数建立了工作面回采过程中覆岩变形与破坏特征的数值模拟模型,研究了工作面回采过程中顶板覆岩在不同来压阶段导水裂隙带和垮落带的发育高度;通过对钻孔冲洗液漏失量的现场观测,进行了“两带”发育高度的探测。将数值模拟结果及现场观测资料对比分析,确定22101工作面的导水裂隙带高度为33.6~37.8m,垮落带高度约9.6m。这为评价研究区水体下开采可行性和水体下开采防水煤柱的设计提供了科学依据。      

岩溶山区矿坑顶板冒落导水裂隙带高度估算有关问题讨论——以贵州省黔西县青龙煤矿为例

贵州省岩溶山区水文地质条件极为复杂,常规的经验公式对矿井顶板冒落导水裂隙带高度估算结果常常小于矿井实际开采形成的高度,简单、机械地采用常规的经验公式估算矿井顶板冒落导水裂隙带高度并以此确定顶板充水水源的来源,可能导致矿井水防治设计的失误,并影响到了矿井防治水工作。本文以青龙煤矿为例,阐述了该矿矿床水文地质结构特征、勘探阶段估算和矿山开采中实际产生的矿坑顶板冒落导水裂隙带高度差异,分析了造成估算误差的主要原因,提出了岩溶山区矿井顶板冒落裂隙带高度经验公式修正的建议。     

基于分形维数的巷道围岩裂隙演化规律研究

为探究泥质巷道受水平应力及动力扰动影响下的围岩裂隙演化规律,以盘州市山脚树矿226轨道石门为工程背景,综合运用现场调研、数值模拟、分形理论分析等研究方法,对动力扰动下泥质巷道的变形破坏特征、围岩裂隙演化规律、围岩裂隙分形演化特征等问题展开研究。结果表明:动力扰动前,巷道裂隙区和塑性区扩展范围随侧压系数的增加而逐步增大,巷道发生较大变形;受扰动后,随侧压系数的增加,围岩裂隙密度逐步增大,浅部裂隙扩展贯通并逐步延展至深部,巷道裂隙区和塑性区呈现全面不规则扩展。在扰动影响下,巷道围岩裂隙的分形维数较扰动前表现出明显的升维现象,随着侧压系数的增加,裂隙网络更为复杂,浅部裂隙进一步向深部蔓延,使岩体破裂程度更大,导致巷道发生严重变形破坏。      

Fracture Evolution and Accumulation and Dissipation Law of Energy During Ascending Mining

Ascending mining method is a widely used method in China for coal mine safety. To determine whether ascending mining method can eliminate or reduce the outburst risk or not in Xinzyao Mine, China, a numerical model was built by FLAC3D software to investigate the fracture evolution and accumulation and dissipation law of energy during the process of ascending mining. And a dual water blocking system was used to verify the fracture evolution obtained from the numerical model. The results show that FLAC3D model can predict the fracture evolution in overburden with a reasonable error. The height of water-conducting fractured zone of no. 14-3 coal seam is about 82.5 m, and it increases by 27 % after no. 12-2 coal seam is mined. The largest energy accumulated in no. 12-2 coal seam is about 32.5 kJ/m³ when mining it directly. The energy accumulated in no. 12-2 coal seam decreases by more than 40 % when ascending mining method is adopted. Ascending mining method can effectively eliminate the outburst risk of the upper coal seam. The research is helpful for the determination of ascending mining method and the further study of the prevention mechanism of rock burst.     

基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征

导水裂隙带发育高度是矿井水害预测的重要技术参数之一。以彬长矿区文家坡煤矿4103工作面为研究对象,利用井-地联合微震监测技术对顶板导水裂隙带发育特征进行研究。研究结果表明:深埋煤层开采时,微震事件超前工作面回采位置发育,超前影响角最大为35°,最小为28°;断层的存在降低了覆岩稳定性,相较于正常基岩,更易在回采影响下发生应力集中和破坏;断层加大了微震事件发生的超前距,而采空区则使微震事件的高密度区向其所在部位发生偏移,加剧覆岩破坏程度,增大导水裂隙带发育高度;垂向上,4103工作面监测区内的微震事件高密度区域主要集中在高程+400~+520 m,结合微震事件数量和能量分布特征,判定4103工作面垮落带发育高度为50 m,垮采比13.16,导水裂隙带发育高度为117 m,裂采比为30.79。该成果可为彬长矿区类似煤矿深埋煤层顶板导水裂隙带发育高度研究及顶板水防治提供重要依据。移动阅读      

Application of an Improved Flow-Stress-Damage Model to the Criticality Assessment of Water Inrush in a Mine: a Case Study

This paper presents a case study of water inrush on a mine working face from roof strata. The flow-rock failure process analysis (F-RFPA^2D) code with an improved flow-stress-damage (FSD) model was adopted to perform the failure and coupling analysis. The improved FSD model was used to represent the permeability variation at the four stages (elastic, damaged, cracked, and crack closure) of the rock failure process. The fracture initiation, propagation, and coalescence in the stressed strata and the seepage field evolution in the stress field are represented visually during the whole process of water inrush. The failure zone with high permeability induced by mining disturbance becomes the water-conducting zone after full excavation of the coal seam. The height of the water-conducting zone obtained in this study is in reasonable accordance with that predicted by an empirical formula. It is definitely clarified that the water inrush from the roof strata is induced by the failure zone full of vertical coalesced mine fractures. It is unlikely that roof accidents resulting in water inrush would occur if the water-conducting zone does not grow upwards into the aquifer. The main task for mine extraction under a confined aquifer is to locate the aquifer and find the maximum height of the water-conducting zone, which is very important for mine construction and support design.     

缓倾斜煤层提高开采上限研究

研究开采上限对煤矿开采具有十分重要的意义,它可以最大程度地开采压滞的煤炭资源,缓解当前大部分煤矿采掘接替紧张的局面。以田庄矿N2601工作面为例,根据已有水文地质资料以及邻近矿井资料,分析了开采区充水条件及底部含水层的赋水特性;采用数值模拟方法,根据上覆岩层的塑性应变情况,分析了冒落带与导水裂隙带的高度范围,最后综合数值模拟结果与“三下”开采规程的要求确定了该矿的开采上限。     

生态脆弱矿区土层中导水裂缝带发育高度研究

为指导生态脆弱区"保水采煤",掌握土层中导水裂缝带发育高度,采用微电阻率扫描成像技术、物理模拟、数值模拟、钻孔冲洗液消耗量观测等手段综合研究,结果表明:物理模拟、数值模拟辨别出的裂采比为28.1~29.1,微电阻率扫描成像探测出裂采比28.3~28.5,微电阻率扫描成像识别与其他手段所得结果吻合。微电阻率扫描成像技术可推广应用于其他矿区土层中导水裂缝带发育高度的探测。